By
Door de zeer effectieve en nauwkeurige regeltoepassingen en efficiëntie, Synchrone motoren met permanente magneet (PMSM) zijn onmisbaar geworden voor industrieën. Het zeer eenvoudige, fundamentele onderliggende principe achter hoe magnetische velden en elektrische stromen interacteren, is de Lorentzkracht. Hoe Lorentzkrachten in het spel komen in relatie tot PMSM zal belangrijke kennis opleveren voor zowel het optimaliseren van de motorprestaties en het bereiken van energiebesparende oplossingen. . In dit artikel worden de basisprincipes van de Lorentzkracht beschreven, hoe PMSM's functioneren en wordt dieper ingegaan op de implicaties ervan vanuit een relationeel perspectief.
Lorentzkracht is een van de basisconcepten van elektromagnetisme; het houdt rekening met de interactie van magnetische velden met elektrische stromen. Dit fenomeen werd eind 19e eeuw beschreven door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Lorentz en draagt zijn naam.
De Lorentzkracht vormt de basis voor de kracht die inwerkt op de geladen deeltjes die in een magnetisch veld bewegen. Deze werkt recht evenredig met de sterkte van het magnetische veld, de lading op het deeltje en de snelheid van het deeltje. Volgens de rechterhandregel staat de richting van deze kracht loodrecht op zowel het magnetische veld als de richting van de snelheid van het deeltje.
De belangrijkste bijdrage aan de beweging en het koppel in PMSM is de Lorentzkracht. PMSM bestaat uit een stator met spoelen en een rotor met permanente magneten. Wanneer er stroom door de statorspoelen gaat, interageert het geproduceerde magnetische veld met het magnetische veld van de rotormagneten en ontwikkelt een kracht die de rotor doet roteren.
Om te begrijpen hoe de Lorentz-kracht de werking van een permanente magneet-synchrone motor beïnvloedt, moeten we eerst de onderliggende principes van het genereren van elektromagnetische krachten begrijpen. Het principe achter het genereren van elektromagnetische krachten is in principe de interactie tussen magnetische velden en elektrische stromen. Wanneer een elektrische stroom door een geleider gaat, bijvoorbeeld een draad, wordt er een magnetisch veld geproduceerd. Wanneer echter een geleider door het magnetische veld gaat, wordt er een stroom geïnduceerd.
De twee wetten die de basis vormen van de theorie van elektromagnetisme die de relaties tussen magnetische velden en elektrische stromen regelen, zijn: de wet van Ampère en de wet van Faraday. Volgens de wet van Ampère is het magnetische veld als gevolg van een elektrische stroom recht evenredig met de grootte van de stroom en omgekeerd evenredig met de afstand tot de geleider. De wet van Faraday stelt dat een verandering in flux geassocieerd met een geleider een stroom induceert in dezelfde geleider. Al met al beschrijft deze reeks wetten de basisprincipes van hoe er een elektromagnetische kracht zou kunnen zijn voor de werking van de PMSM. In de PMSM gebruiken de statorspoelen een soort patroon van opstelling in hun wikkeling rond de rotor met een roterend magnetisch veld, en interacteren daarom met het magnetische veld van de rotor bij stilstand. Dit veld genereert koppel op de rotor voor rotatie, wat leidt tot een roterende aandrijving voor de uitgaande as.
De grootte van de Lorentz-kracht die in de motor wordt gegenereerd, wordt bepaald door de grootte van het magnetische veld en de stroom in de statorspoel. Geometrie en opstelling van de statorspoelen zijn ook belangrijk om de prestaties van de motor te definiëren. Het aantal polen op de stator en rotor beïnvloedt bijvoorbeeld de vorm van de snelheid versus koppelcurve voor de motor. Op dezelfde manier heeft het gebruik van verschillende soorten permanente magneten invloed op magnetische fluxniveaus en dus op de algehele efficiëntie van de motor.
PMSM is een soort elektrische machine die toepassingen vindt van industriële machines tot volledig elektrische voertuigen. Ze worden ook prominent in veel industrieën vanwege hun hoge efficiëntie, nauwkeurige controle en compacte afmetingen. Begrijpen hoe een PMSM werkt, is cruciaal om zijn volledige capaciteit effectief te benutten.
In de PMSM werken de stator- en rotoronderdelen met elkaar samen. De stator bestaat uit veel spoelen die op een bepaalde manier zijn gewikkeld, terwijl de rotor is samengesteld uit permanente magneten. Deze permanente magneten zorgen daarom voor een constant magnetisch veld dat samenwerkt met het veranderende magnetische veld dat door de stator wordt gegeven.
Het werkingsprincipe van de PMSM is elektromagnetische inductie. Het tijdsvariërende magnetische veld wordt in een PMSM gecreëerd door stroom door de statorspoelen te laten stromen. Volgens de wet van Faraday van elektromagnetische inductie induceert dit tijdsvariërende magnetische veld een stroom in de rotor. Deze geïnduceerde stroom genereert zijn zelfinteracterende magnetische veld met het statormagnetische veld.
Fundamenteler is dat dit komt doordat de interactie die ontstaat door de magnetische velden die van de stator en de rotor uitgaan, het koppel creëert, waardoor deze gaat draaien. Dit beschrijft conventioneel een zogenaamde Lorentz-kracht, eerder gedefinieerd in de vorige sectie; de grootte en richting ervan zouden afhangen van de sterkte van het magnetische veld, enerzijds, en de geometrie en stroom die door de statorspoelen stroomt, anderzijds.
Het biedt essentiële sensorische feedback in rotorpositie en snelheid voor precisie in PMSM-regeling. Precieze regeling kan daarom worden gegarandeerd door dergelijke verkregen informatie in termen van het instellen van de statorstroomvector voor optimaal koppel en hoogste efficiëntie. Deze veelvoorkomende typen omvatten encoders, resolvers en Hall Effect-sensoren.
PMSM's bieden de mogelijkheid om op synchrone snelheid te werken. Synchrone snelheid verwijst naar de snelheid waarbij het roterende magnetische veld van de stator een vergelijkbare snelheid heeft als die van de rotor. Deze synchrone werking wordt mogelijk gemaakt door de frequentie en amplitude van de statorstroom goed te regelen, waardoor een hoge efficiëntie van de motor wordt geboden.
De synchrone snelheid van de PMSM is afhankelijk van het aantal polen op zowel de stator als de rotor. Het aantal polen is bedoeld om het aantal noord-zuidpoolparen in de motor weer te geven. Een vierpolige motor heeft bijvoorbeeld twee noordpolen en twee zuidpolen op zowel de stator als de rotor. Het aantal polen beïnvloedt verder de snelheid-koppelkarakteristieken van de motor, waardoor een geoptimaliseerd ontwerp voor verschillende toepassingsspecificaties mogelijk is.
Andere voordelen van PMSM, naast hoge efficiëntie en nauwkeurige controle, zijn hoge vermogensdichtheid - begrepen als het vermogen om meer vermogen te leveren met een kleiner formaat. Ze hebben een breed werkingsbereik, wat betekent dat ze efficiënt kunnen werken bij verschillende snelheden en belastingen. Bovendien genereren PMSM's minder warmte en vereisen ze minder onderhoud dan andere typen motoren, wat zich na verloop van tijd vertaalt in kostenbesparingen.
Het basisprincipe van de permanente magneet synchrone motor is daarom meestal gebaseerd op de relatie tussen stator- en rotormagnetische velden, mogelijk gemaakt door Lorentz-krachten. Een goede controle van de statorstroom stelt de motor in staat om zijn snelheid en koppel nauwkeurig aan te passen.
In een PMSM speelt de Lorentzkracht een grote rol in de werking van de motor. Door deze kracht draait de rotor van de motor door interactie in het magnetische veld dat wordt gecreëerd door zowel stator- als rotorgedeelten.
De stator bestaat in het geval van PMSM uit spoelen. Omdat er stroom door deze spoelen stroomt, zou er een magnetisch veld door hen worden gegenereerd volgens de wet van Ampère. Het is gemaakt van permanente magneten en heeft een constant magnetisch veld. Wanneer de motor begint te werken, ontstaat er een Lorentzkracht door de interferentie van de twee magnetische velden. De Lorentzkracht die op een geladen deeltje werkt dat in een magnetisch veld beweegt, wordt gegeven door F = q(vx B).
De genoemde fundamentele vergelijking voor elektromagnetische verschijnselen is waarbij F de Lorentzkracht is, een lading van het deeltje dat beweegt met de snelheid v bij de magnetische veldvector, waarbij PMSM's gewoonlijk geladen deeltjes verplaatsen die de vorm aannemen van elektronen die daadwerkelijk door de statorspoelen stromen, terwijl het magnetische veld de som is van het door de stator geproduceerde veld naar de rotor.
De Lorenz-kracht staat altijd loodrecht op het magnetische veld en de bewegingsrichting van geladen deeltjes, terwijl de bepaling ervan de rechterhandregel volgt. Eigenlijk is het vanwege deze kracht dat er koppel wordt gegenereerd tijdens rotatie in een PMSM. De grootte van deze kracht is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de sterkte van het magnetische veld, de lading van de deeltjes, die weer verband houdt met de stroom die door de statorspoel stroomt, en de snelheid van de deeltjes, gerelateerd aan de snelheid van de rotor.
De discussies die volgen, leggen uit hoe Lorentz-krachten gerelateerd zijn aan permanente magneet-synchrone motoren, rekening houdend met het feit dat deze in verschillende modi werken. In de motormodus waarin de motor van stroom wordt voorzien, is de richting van de Lorentz-kracht tegengesteld aan de richting van het lastkoppel. Daarom zou men kunnen interacteren en een mechanische last met de motor kunnen aandrijven.
Tijdens de generatormodus, tijdens het vertragen of remmen van de motor, oefent de mechanische belasting een koppel uit in de tegenovergestelde richting op de rotor ten opzichte van de rotatie. Gedurende die tijd werkt de Lorentz-kracht in de richting van de vertraging en genereert elektrische energie die kan worden teruggevoerd naar het stroomvoorzieningssysteem. Deze regeneratieve remcapaciteit is een van de belangrijkste voordelen van PMSM, omdat het de algehele energie-efficiëntie verhoogt.
Deze relatie tussen Lorentz-kracht, magnetisch veld en stroom kan worden geoptimaliseerd op een manier dat de beste prestaties van motoren kunnen worden bereikt. Door de hoeveelheid stroom die door de statorspoelen gaat te veranderen, kan variatie in de intensiteit van het magnetische veld worden bereikt. Dit zal uiteraard de grootte van de Lorentz-kracht en dus het resulterende koppel beïnvloeden. Het biedt dus een zeer nauwkeurige snelheids- en positiecontrole door de grootte van de Lorentz-kracht nauwkeurig te regelen, waardoor motoren soepel en efficiënt kunnen draaien.
Dat wil zeggen dat bij het ontwerpen van de motor het aantal stator- en rotorpolen de Lorentzkracht en in essentie de prestaties van de motor beïnvloedt. Het aantal polen bepaalt de snelheid-koppelkarakteristieken van de motor. Hoe hoger het aantal polen, hoe lager de snelheid maar hoe hoger het koppel; hoe minder polen, hoe hoger de snelheid met een lager koppel. Deze flexibiliteit in het ontwerp stelt de ingenieur in staat om PMSM's op maat te maken voor de behoeften van de toepassing.
Dit betekent opnieuw dat een Lorentzkracht, een onderdeel van het aandrijfmechanisme van synchrone motor met permanente magneet rotatie vindt daarom plaats als een interactie tussen magnetische velden die worden gecreëerd door zowel stator- als rotorcomponenten, terwijl Lorentz-krachten in relatie tot de relatie met PMSM in het algemeen een nauwkeurige controle mogelijk maken voor hun effectieve prestaties. Hun belangrijkste voordelen zijn een zeer hoge efficiëntie, een klein formaat en regeneratief remmen. Dat is een feit dat hun populariteit voor toepassing in de industrie en voertuigen verklaart: ze zijn betrouwbaar en garanderen een hoge mate van vermogensdichtheid. Met behulp van het principe van de Lorentz-kracht in toepassing ontwerpen en optimaliseren de ingenieurs de PMSM-topologie verder om aan specifieke behoeften te voldoen, wat verder bijdraagt aan het upgraden van elektrische aandrijfsystemen of energiebesparende systemen.
